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Überraschende Ordnung im chaotischen Sonnenwind entdeckt
Im chaotischen Plasma des Sonnenwinds steckt eine bislang übersehene Ordnung. Messdaten der Raumsonde Parker Solar Probe zeigen, dass magnetische Schwankungen je nach räumlicher Größe bevorzugt entgegengesetzt rotieren. Mit wachsendem Sonnenabstand verlagert sich dieses Muster zu größeren Strukturen. Die Beobachtung könnte erklären helfen, wie sich Turbulenz in nahezu stoßfreiem Weltraumplasma entwickelt.
Braunschweig (Deutschland). Der Sonnenwind ist ein Strom elektrisch geladener Teilchen, der unablässig von der Sonne in den Weltraum hinausströmt. Dabei entstehen Wellen und Wirbel, denn die Bewegung der Teilchen ist eng mit den Magnetfeldern verknüpft. Obwohl sich das Plasma turbulent und ungeordnet verhält, können die darin enthaltenen Magnetfelder eigene Muster ausbilden.
Das ist besonders schwer zu erklären, weil Teilchen im dünnen Weltraumplasma nur selten zusammenstoßen. Auf größeren räumlichen Skalen verhält sich das Plasma noch ähnlich wie eine Flüssigkeit. Im sehr Kleinen sind dagegen die Bewegungen einzelner geladener Teilchen entscheidend. Was an der Grenze zwischen diesen beiden Bereichen mit der Turbulenz geschieht, war bisher nur unzureichend bekannt.
Forscher der Technischen Universität Braunschweig (TU Braunschweig) um Dr. Masatomi Iizawa haben deshalb Magnetfelddaten der NASA-Sonde Parker Solar Probe untersucht. Gemeinsam mit einem internationalen Team suchten sie nach Gesetzmäßigkeiten in den raschen magnetischen Schwankungen des Sonnenwinds. Ihre Auswertung liefert nun Hinweise auf eine besondere Ordnung, die mit der Größe der betrachteten Strukturen wechselt.
Für ihre Analyse nutzten die Wissenschaftler Messungen aus dem Herbst 2021, als sich die Sonde der Sonne bis auf etwa 15 Millionen Kilometer näherte. Aus den zeitlichen Veränderungen des Magnetfelds berechneten sie dessen sogenanntes Helizitätsspektrum. Dieses beschreibt, in welcher Drehrichtung und auf welchen Größenordnungen die magnetischen Schwankungen miteinander verflochten sind.
Dabei zeigte sich ein auffälliger Gegensatz. Größere magnetische Strukturen waren bevorzugt linkshändig verdreht, bezogen auf die Richtung von der Sonne nach außen. Bei kleineren Strukturen dominierte dagegen eine rechtshändige Drehung. Die Umkehr tritt ausgerechnet dort auf, wo die Beschreibung als Flüssigkeit an ihre Grenzen stößt und die Teilchenphysik wichtiger wird.
„Wir sehen eine klare Struktur im Spektrum, obwohl die Turbulenz ungeordnete Bewegungen beschreibt“, erklärt Dr. Masatomi Iizawa.
Die entgegengesetzten Vorzugsrichtungen lassen sich durch das Vorzeichen der magnetischen Helizität unterscheiden. Damit zeigt sich eine statistische Ordnung innerhalb der turbulenten Schwankungen. Es handelt sich nicht um eine plötzliche Umkehr des gesamten Sonnenmagnetfelds, sondern um unterschiedliche Dreheigenschaften von Magnetfeldbewegungen verschiedener Größe.
Das Team verglich Messungen aus unterschiedlichen Abständen zur Sonne. Im Bereich von etwa 15 bis 60 Millionen Kilometern entfernte sich die charakteristische Helizitätsstruktur im Spektrum zunehmend von hohen hin zu niedrigeren Frequenzen. Weil der Sonnenwind die Schwankungen an der Sonde vorbeiträgt, entspricht dies unter den verwendeten Annahmen einer Verlagerung zu größeren räumlichen Strukturen.
Diesen Befund deuten die Forscher als Hinweis auf eine sogenannte inverse Kaskade. Während turbulente Bewegungen ihre Energie häufig von großen Wirbeln auf immer kleinere verteilen, können magnetische Verflechtungen demnach auch in umgekehrter Richtung wachsen. Kleine Strukturen erscheinen dadurch im Verlauf der Ausbreitung des Sonnenwinds zunehmend in größeren Mustern gebündelt.